太陽爐之設計與製作
蔡秉修* * 國立台灣師範大學工業科技教育系碩士班 一、前言 當生活科技課介紹能源單元時，「太陽能」的利用與發展是重要的議題。由於太陽 能所具備的諸多優點，如：可再生性、環保無污染等，具有利用的價值，在人類不斷的 研究中，包括光電、光熱領域已有許多成果，如：太陽能電池提供人造衛星、太空梭、 太空站之電力；屋頂裝置太陽能熱水器供應日常生活的熱水等…。面對未來可能的能源 危機，太陽能是先進國家在能源開發上的方向之ㄧ。 為使學生實際了解太陽能集熱的知識與運用的技術，本單元以設計與製作太陽爐為 學習活動，引導學生以分組合作的方式，連結數學、自然與科技的概念，透過問題解決 的程序，能考慮許多相關的因素，完成作品。 二、教學目標 1. 了解能源的種類、特性、利用與發展。 2. 培養創意思考能力。 3. 培養問題解決能力。 4. 在製作過程中能選用合適的材料與機具設備。 5. 小組成員能分工合作、相互支援，培養團隊的精神。 6. 能以自己的觀點對他人的作品提出看法。 三、教學對象 九年級 四、活動節數 14 節課 太陽光 外層結構 內層結構 熱絕緣材料 （保溫設計） 圖 1 筆者繪製之太陽爐參考範例 透明鍋蓋 主反射面 受熱體 次反射面五、材料與機具 本活動使用的機具與材料如表 1、表 2 所示。 表 1 材料表 名稱 規格 數量 備註 紙箱 不拘 必備 鋁箔紙 全開 1 張/組 必備 保鮮膜 捲筒式 1 捲/組 壓克力板 無色透明 1 張/組 報紙 若干 膠水 1 罐/組 白膠 1 罐/組 紙膠帶 1 捲/組 透明膠帶 1 捲/組 表 2 機具表 名稱 規格 數量 備註 美工刀 150mm 長，刀刃寬 0.6mm 1 支/組 剪刀 180mm 長，不銹鋼製 1 支/組 1000mm，不銹鋼製 1 支/組 直尺 150mm，不銹鋼製 1 支/組 鉛筆 1 支/組 油性筆 1 支/組 溫度計 可測量 0-100 o C 1 支/組 註：1. 表 1、表 2 所列清單除必備外，其餘可視學生需求做為教學參考之用 2. 每組 3 人 五、重要概念 數學 科學 科技 M1 長與寬 M2 面積 M3 體積 M4 角度 S1 光的反射和折射 S2 溫度 S3 比熱 S4 熱傳遞：傳導、對流 、輻射 T1 問題解決 T2 創意思考 T3 造型設計 T4 識圖與製圖 T5 選用及處理材料 T6 使用機具 T7 測試、調整與修正
六、教學步驟 節數 教師活動 目標 學生活動 教具器材 備註 一、準備活動 1. 準備太陽爐的模型 2. 蒐集教學資料與圖片 3. 準備學習歷程檔案 1 二、發展活動 1. 提示能源的種類、特 性、利用與發展 可適時提問要求 學生回答或分享 1 學生能了解 能回應老師所給 問題或提出自己 的意見 投影片 投影機 1 2. 進行分組，每組 3 人 3. 發給各組一份學習歷 程檔案 4. 提示設計需考慮的兩 個重要因素： 如何有效收集太 陽能 如何保溫 5. 提示學習歷程檔案之 內容並要求學生開始 設計工作 2 3 5 能進行分組 在老師說明時能 閱讀學習歷程檔 案 了解設計與製作 太陽爐須掌握的 重要因素 進行定義問題與 敘述理想 利用課餘時間瀏 覽相關網站及收 集資料 太陽爐模型 分 組 約 5 分鐘 教 師 於 下 課 前 檢 查 進 度 2 6. 提示設計之參考範例 ，包括各零件結構視 圖、作品之剖面圖及 立體圖，要求學生繪 製草圖及正式設計圖 2 3 5 討論所收集資料 提出不同構想、 決定最佳構想 繪製正式設計圖 依照設計圖準備 相關材料與工具 太陽爐模型 教 師 於 下 課 前 檢 查 進 度 6 7. 指導各組進行正式設 計圖之細部改進： 8. 巡視各組進行製作： 材料之處理 機具之使用 進度之掌控 3 4 5 完成正式設計圖 或進行細部改進 進行製作，並視 進度完成學習歷 程檔案相關內容 要項 生 活 科 技 教 室 提 供 部 分 材 料 與 工 具 如 表 1、表 2 所示 指 導 學 生 進 行 相 關 製 作 注 意 學 生 製 作 之安全
3 9. 指導學生進行太陽爐 測試 10. 完成作品評分 3 5 測試太陽爐並記 錄其溫度 繳交作品 完成文件 選 定 日 照 充 足 地點 1 三、綜合活動 11. 學生報告心得 12. 老師講評 13. 單元總結 14. 完成本活動總評 6 能分享心得 繳交文件 能對他人作品表 達自己的意見
七、教學評量 1. 本單元兼重形成性與總結性評量 2. 總評參酌要點如表： 參酌要點 佔分比率（%） 認知 學習歷程檔案： 內容充實程度 平時上課的設計進度 30 技能 作品呈現： 功能 結構 外型 精緻性 平時上課的製作進度 50 情意 學習態度與精神 口頭報告表現 20 八、教學建議事項 1. 教師教學前可準備太陽爐的模型，供學生參考用。 2. 太陽爐在測試上受到天候因素的影響，教師可事先說明此限制性。 3. 可利用 2 至 3 週的時間選定有良好日照進行測試，鼓勵完成的小組先行測試， 不宜只排 1 週的測試時間。 4. 進行測試活動時，教師可視測試地點與教室的遠近等因素來選擇上課地點在室 外或在教室。如在教室，可允許各組派代表到室外進行調整、量溫及記錄等測 試工作。 九、教學資源 中華民國太陽能學會（2002）。全球資訊網，網址：http://www.solar.org.tw/，8 月 23 日，線上資料。 行政院經濟部能源委員會（2002）。全球資訊網，網址：http://www.moeaec.gov.tw/ ，9 月 25 日，線上資料。 金祖孟（1992）。地球科學概論。台北：五南圖書出版有限公司。 黃文雄（1978）。太陽能之應用及理論。台北：協志工業叢書出版股份有限公司。 黃文良和黃昭睿（1998）。能源應用。台北：台灣東華書局股份有限公司。 能源世界展望中心（2003）。全球資訊網，網址： http://203.64.53.9/TeachWeb/89hpcontest/c018/vision.htm，3 月 11 日，線上資料。 Solar Cookers International(2002). http://solarcooking.org/，7 月 20 日，線上資料。
十、太陽爐原理簡介 （一）太陽爐的二個基本原理 1. 收集熱能 太陽光使地球有晝夜現象外，其光線帶有輻射熱能，是謂「太陽能」。太陽 能具可再生與環保的優點但有氣候條件與能量密度低等的限制，然而只要適當地 利用光學的反射及折射定律便能很容易收集「光熱」。目前人類在工業或研究上 使用平面鏡或曲面鏡將太陽光集中反射至集熱器，集熱器除了收集熱能外亦可間 接發電，具有「光熱」及「光熱發電」的作用。 2. 保溫設計 除了收集熱能外便要考慮如何儲存熱能，亦即保溫的設計。保溫的概念即防 止熱能從三個方式散失：傳導、對流以及輻射。太陽爐製作的重點即在一方面收 集熱能使受熱體溫度上升，而一方面儲存熱能，保持溫度。 （二）結構及其功能 請參考圖 1 所示，太陽爐的結構及其功能說明如下。 1. 外型結構 由兩種以上大小不同的容器構成，外層設置反射面，層與層之間放置熱絕緣 材料，內層中央則放置受熱體（如：鐵罐）。在教學上可採用回收紙箱，既方便 又環保。 2. 反射面 分主反射面與次反射面。其中，次反射面為內層的四周壁面。當太陽爐放置 於日光之下時，光線除了直射至受熱體外，也經由反射面的反射而加熱受熱體。 反射面的材質與大小決定光熱的輸入量。光線至受熱體的路徑有四： （1）光線 透明鍋蓋 受熱體 （2）光線 透明鍋蓋 次反射面 受熱體 （3）光線 主反射面 透明鍋蓋 受熱體 （4）光線 主反射面 透明鍋蓋 次反射面 受熱體 在教學上，為考量學生安全，可採用鋁箔紙或廢棄的光碟片替代光面鏡，亦 能減輕其重量增加攜帶性。 3. 熱絕緣材料 係指導熱性差的材料，用以隔絕太陽爐內的熱能不使其散失。教學上可採用 廢報紙、廢布料、紙板和木料等容易取得的熱絕緣材料。 4. 透明鍋蓋 透明鍋蓋的目的除了使光線能透過去加熱受熱體外，亦有保持爐內溫度的功 能，因溫度上升所造成的熱流能經過鍋蓋有效的阻隔而進行二次加熱並保持太陽 爐內部的溫度。鍋蓋材料的透光度會影響光線加熱的效果；厚薄度會影響熱傳導 （熱散失）。在教學上可採用透明壓克力、保鮮膜等容易取得的材料。 5. 受熱體 受熱體須由熱傳導良好的材料製成如鐵、鋁金屬所製成的鐵罐或鋁罐等，可
將受光面（外表）塗成黑色以幫助吸收光熱。 十一、作品展示 筆者將實際教學時之學生作品測試與展示情形拍攝後，呈現如圖 2-圖 6 所示。 圖 2 太陽爐測試一 圖 3 太陽爐測試二 圖 4 此作品結構完整，鍋蓋使用 透明壓克力板、可調反射面 以及有可攜帶式的提手設計 圖 5 此作品鍋蓋使用保鮮膜，然 反射面面積小，許多處理上 略顯粗糙 圖 5 採用半圓形的反射面設計 圖 6 採房屋造型，外型有創意， 使用竹筷調整與支撐反射面
附錄：學習歷程檔案 一、工作分配表 1-1 小組成員 職稱 姓名 座號 組長 組員 組員 1-2 任務分工明細單：組長需適時記錄本次活動所分派的工作要項。 工作要項 負責組員 分派日期 表現評分 a.蒐集資料 b.解決方案 構想一 構想二 構想三 c.製作 材料準備 工具準備 d.測試 測試者 紀錄者 e.分享經驗 提供意見 報告者 紀錄者 f.其他
二、界定問題 問題情境 你（妳）有想過不需要瓦斯或其他燃料也能將水煮開？利用太陽光所提供的熱能 是目前先進國家在能源發展上的趨勢之ㄧ。本單元的學習活動便要你（妳）實際思考如 何運用生活中隨手可取得的資源來製作一個簡單、實用的太陽爐，利用收集太陽能來加 熱食物，說不定你（妳）會成為聰明的烹飪專家。 條件限制 1. 太陽爐體的材料以紙箱為主，不可使用任何玻璃材料 2. 重量少於 2 公斤 3. 體積小於 9000 cm3 4. 成本少於 200 元 作品標準 1. 加熱室溫 200 cc 的水，在 1 小時內將水煮開 2. 能符合條件限制 3. 能依日照方向調整反射面並固定 4. 能具攜帶性 三、進行問題解決 所給的問題是什麼？ 條件限制有哪些？ 1. 功能 2. 材料 3. 時間 5. 成本 6. 其他 請思考與敘述你們對作品表現的理想 1. 功能 2. 材料 3. 時間 4. 成本 5. 其他
3-2 資料蒐集與分析 資料分析表 編號 書、文章名或主題 頁數範圍 資料來源 重要性程度 3-3 提出解決方案 構想一 構想二 構想三
3-4 確定解決方案 如何決定構想？你們可以參考一些相關的因素來幫助決定最佳的解決方案： 可行性的分析因素 構想一 構想二 構想三 功能 結構 時間 成本 造型 特色 總分 ※請針對你們的設計構想思考各項可行性的分析因素，給予 5：很滿意 4：滿意 3：尚 可 2：待加強的分數，可參考總分高低來決定哪一個是最佳的構想。 本小組決定的最佳解決方案為 構想 命名 3-5 正式設計圖：請將決定執行的構想運用製圖的知識（三視圖、立體圖、剖面圖）呈 現出外型與結構，以適當的比例詳細地繪製在下面提供的方框中，旁邊需 另加老師規定的尺度標註與文字註解。
3-5 進行解決方案 3-5-1 製作步驟（可參考你們的正式設計圖，想想看如何規劃製作步驟？） 本小組的製作步驟如下： 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 3-5-2 材料機具表（可參考你們的正式設計圖，列出需要的材料、機具……） 1. 材料表 名稱 規格 數量 備註 2. 機具表 名稱 規格 數量 備註
3-6 測試、評估與修正 3-6-1 測試結果紀錄表 記錄要項 測試一 測試二 測試三 測試日期 天氣狀況 開始測試時間 結束測試時間 時間總長 水的重量 起始溫度 終止溫度 吸收的熱量 H ＝ m * s * t 給個分數吧 ※註：所測量得到的相關數據請附上適當單位 3-6-2 修正—作品的優缺點與改進方向 （1）你們的意見 （2）老師提供的意見 四、心得分享 （1）請將你們在活動中曾經遭遇到的問題與其解決方法條列出來。 問題 1： 解法 1： 問題 2： 解法 2： （2）請撰寫你們在此活動的心得或收穫（二百字為限）： 五、附件 請附上本活動之相關資料： （1）資料剪輯或摘要
